97

Міністерство освіти і науки України

Національний університет «Львівська політехніка»

Л.В. Жук

ОСНОВИ ЕКОЛОГІЇ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

для студентів базових напрямів

6.060101 «Будівництво», 6.170203 «Пожежна безпека»

Затверджено на засіданні кафедри екології та охорони навколишнього середовища Протокол №19 від 19.03.2009 р.

Львів-2009

Жук Л.В. Основи екології: Конспект лекцій для студентів базових напрямів 6.060101 «Будівництво», 6.170203 «Пожежна безпека». – Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2009. – 96с.

Укладач	Жук Л.В., к.т.н.
Відповідальний за випуск	Мальований М.С., д.т.н., проф.
Рецензенти	Мартиняк О.В., к.т.н., доц. Березюк Д.О., к.т.н., доц.

ЗМІСТ

Лекція 1. Основні екологічні проблеми сучасності	4
Лекція 2. Біосфера. Екосистеми	16
Лекція 3. Екологічні фактори	34
Лекція 4. Забруднення довкілля відходами виробництва	47
Лекція 5. Методи боротьби зі забрудненнями атмосфери	56
Лекція 6. Очищення виробничих стічних вод	73
Лекція 7. Утилізація твердих відходів виробництва і споживання	84

Лекція 1. Основні екологічні проблеми сучасності

Визначення, завдання, значення і структура екології.

Основні етапи розвитку екології. Українська екологічна школа.

Основні екологічні проблеми сучасності.

Джерела екологічної кризи сучасності та її вплив на біосферу.

Характеристика сучасної екологічної ситуації в Україні.

Концепція сталого розвитку.

Визначення, завдання, значення і структура екології. Екологія – це наука, що вивчає взаємодію організмів та їх угруповань із середовищем існування. Екологія охоплює широке коло теоретичних та практичних питань:

• вивчення різних рівнів біологічної організації (від окремих організмів через популяції та види до екосистем та біосфери в цілому), серед яких основним є рівень екосистем (рис.1.1);

• принципи і закономірності їхньої структури, функціонування та розвитку;

• дослідження суті процесів обміну і перетворення речовини та енергії;

• застосування екологічних знань у справі охорони навколишнього середовища та раціонального використання природних ресурсів.

Рис.1.1. Рівні організації матерії

Термін «екологія» запропонував німецький біолог Ернст Геккель у 1866 році.

Екологія – відносно молода наука, ще не так давно нею цікавилося лише невелике коло фахівців. Однак протягом останніх десятиліть вона почала швидко розвиватись. Цьому сприяла необхідність вирішення таких важливих проблем сучасності, як раціональне використання природних ресурсів, профілактика забруднення середовища промисловими відходами та транспортом, запобігання знищенню природних угруповань, збереження генофонду рослинного і тваринного світу. Екологія дає уявлення про те, яким чином досягти симбіозу техніки, виробництва і природи.

Внаслідок появи нових практичних потреб ускладнюється структура екології, з’являються нові підрозділи. Зараз існує кілька класифікацій основних складових частин екології. Одні автори приділяють більше уваги загально-філософським і культурним аспектам, другі – соціальним, треті – еколого-економічним, четверті – біоекологічній деталізації.

Сучасна екологія, по суті, складається з чотирьох взаємопов’язаних розділів, які поділяють екологію за розмірами об’єктів вивчення:

• аутекологія (екологія організмів) вивчає взаємовідносини окремого організму (особини) або груп особин з навколишнім середовищем. Цей розділ екології займається, головним чином, визначенням меж стійкості виду і його ставленням до різних екологічних факторів. Аутекологія вивчає також вплив середовища на морфологію, фізіологію та поведінку організмів;

• демекологія (екологія популяцій чи видів) вивчає взаємини популяцій чи видів із довкіллям з врахуванням внутрішньопопуляційних та внутрішньовидових процесів. Демекологія пов'язана з вирішенням таких проблем, як механізми регуляції чисельності організмів, оптимальна густота. Цей розділ екології ще називають популяційною екологією;

• синекологія (або біоценологія) вивчає взаємини спільнот живих організмів (на рівні ценозів, екосистем) з довкіллям та їх структурно-функціональну організацію; це вчення про співтовариство рослин, тварин і мікроорганізмів, їхньої взаємодії одного з одним і з середовищем проживання.

• біосферологія, або екологія біосфери (вчення про біосферу) з’ясовує закономірності еволюції біосфери. Це вчення про глобальну екосистему Землі, область системної взаємодії живої та неживої природи.

Існують й інші класифікації розділів екології. Наприклад, за Г.Білявським та В.Бровдієм (1995 р.) екологія складається з таких основних блоків: біоекологія; геоекологія; техноекологія; соціоекологія (рис.1.2).

Основні етапи розвитку екології. Українська екологічна школа. Перший етап (до 1866 р.) – стародавній. Не буде перебільшенням стверджувати, що екологія «існувала завжди». Первісна людина померла б з

Рис. 1.2. Структура сучасної екології

голоду без необхідних їй знань про поведінку й особливості дичини, якби не мала отриманого від предків і набутого самостійно досвіду «взаємовідносин з довкіллям». У наукових працях учених минулого (Теофаста, Арістотеля та ін.) є чимало фактів про вплив кліматичних змін на рослини і тварини, про особливості живих істот, ознаки пристосування до умов середовища проживання тощо. Це період «наївної екології», коли окремі її елементи з’являлися в працях ботаніків, зоологів – період накопичення екологічних фактів.

Екологія дуже довго розвивалася як частина біології, загального вчення про світ живого.

Другий етап (до 30-х років XX ст.) – аутекологічний. Це період виявлення закономірностей у стосунках тварин і рослин з різноманітними абіотичними факторами, внутрішніх екологічних досліджень та визначення «екосистем».

Екологія цього часу базувалася на працях Ч. Дарвіна, О. Гумбольдта, Е. Геккеля, і полягала у дослідженні впливу фізичних (температура, освітлення тощо) та хімічних (склад води та ін.) чинників довкілля на життєдіяльність окремої особини чи цілого виду.

Третій етап (1930 – 1970 рр.) – синекологічний. На цьому етапі досліджувались великі групи організмів (популяцій та їх об'єднань) з точки зору взаємодії окремих особин і популяцій різних видів істот між собою. Великою заслугою цього етапу екології є залучення такого могутнього інструменту як вища математика (насамперед диференціальних рівнянь). Вперше екологи застосували теоретичне моделювання розвитку подій у живому довкіллі.

Саме тоді запроваджено поняття «екосистема», «біогеоценоз», сформульовано основні екологічні закони.

До найвизначніших екологів цього періоду належать такі зарубіжні вчені, як Г.Бердон-Сандерсон, У.Елтон, А.Тенслі С.Форбс, В.Шелфорд та вітчизняні Д.Кашкаров, А.Парамонов, В.Вернадський, С.Сєверцев, В.Сукачов.

Четвертий етап (1970 р. – дотепер) – мегаекологічний, або період глобальної екології. Доміну­ючими стали уявлення про «пов'язаність усього з усім», необхідність одночасного і якнайточнішого врахування взаємодії між собою та з довкіллям усіх видів і варіан­тів живого.

Одночасно виникли і стали стрімко розвиватися десятки галузей, розділів і підрозділів сучасної екології.

Перші спроби екологічного підходу до природоохоронної справи в Україні відомі ще з часів Ярослава Мудрого. В його "Руській правді" – правничому кодексі Київської Русі (початок XI ст.) – вже існувала чітка система правової оцінки використання ресурсів і передбачалася кара за збитки, нанесені довкіллю. За шкоду, заподіяну диким звірам і птахам, каралося так строго, як і за негідні вчинки щодо людини.

В часи Гетьманщини (ХVІ-ХVІІІ ст.) ці природоохоронні традиції зберігалися і поширювалися. Як і в княжі часи, регламентуються охо­рона лісів і байраків, полювання, рибальство, бджільництво та садівництво.

У зібранні Малоросійських прав (1807 р.) сказано: "Хто соколине гніздо пошкодить, підрубає чи навмисно його скине, чи з собою молодих соколів забере ... повинен заплатити ...".

Вагомим внеском в розвиток української екологічної школи стали дослідження українських чорноземів В.В.Докучаєвим (1846-1903); результати цих досліджень викладено в книзі вченого «Руський чорнозем». Створений і очолюваний ним Ново-Александріївський інститут сільського господар­ства та лісівництва (нині Кіровоградська обл.) став осередком інтенсивного розвитку ґрунтознавства.

Перший науковий центр екологічних досліджень в Україні створено у 1930 році. Це був сектор екології в Інституті зоології та ботаніки Харківського державного університету. Дослідження в галузі екології, виконані в цьому центрі В.В.Станчинським (1930-1940 р.р..), були піонерськими і оригінальними. Його праця «До розуміння біоценозу» (1933 р.) є класичною в області вивчення зв'язків між організмами в ценотичних системах.

Відкриття нашого земляка В. І. Вернадського, який був першим президентом Академії наук України, посідають особливе місце в історії екології. Він доказав наявність широкомасштабного впливу живих організмів на абіотичне середовище, запропонував вчення про біосферу як про оболонку Землі, що визначається присутністю живої речовини. В.І.Вернадський вперше запровадив у вивчення біосфери кількісний підхід, що дозволило об'єктивно оцінити масштаби біогеохімічного кругообігу речовин. Вчення В.І.Вернадського про ноосферу додатково узагальнило численні дані про нерозривність зв'язку людини з природним середовищем.

У повоєнний період увага українських екологів спрямовувалась на вивчення техногенних і урбогенних впливів на природні екосистеми (Ількун, Тарабрін, Кондратюк, Кучерявий).

Екологи України зробили вагомий внесок у розробку методів оцінки рівня радіоактивного забруднення великих територій та обґрунтування заходів зниження екологічних збитків від наслідків аварії на Чорнобильській АЕС.

Основні екологічні проблеми сучасності. Наукові досягнення ХХ століття створили ілюзію про майже повну керованість світом, однак господарська діяльність людського суспільства, екстенсивне використання природних ресурсів, величезні масштаби відходів - все це входить у протиріччя з можливостями планети (її ресурсним потенціалом, запасами прісних вод, здатністю біосфери до самоочищення).

Діяльність людської цивілізації дедалі більше охоплює біотичні й абіотичні ланки довкілля, поступово змінюючи його під свої потреби. (Цей вплив людини на довкілля названо техногенезом, а ті частини біосфери, атмосфери, гідросфери і літосфери, які перебувають під техногенним впливом людської цивілізації, — «техносферою»). Техногенне освоєння значної частини планети Земля, поряд із задоволенням потреб людської цивілізації (освоєння нових ресурсів, створення нових комунікацій, джерел енергії, засобів швидкого пересування і комфортного стилю життя тощо), дедалі більше деформує, пригнічує, руйнує і винищує її біоту, забруднює атмосферу і гідросферу, призводить до деградації ґрунтів, порушує природну цілісність та геохімічну природність земної кори.

Антропогенна діяльність загрожує природі у планетарному масштабі. Згідно зі спеціальною доповіддю «Становище в світі», що публікується щорічно Інститутом спостережень за світом (Worldwatch Institute, USA), основними глобальними екологічними проблемами вважають проблеми енергоресурсів, харчування, знеліснення територій, скорочення біорізноманіття, забруднення атмосфери, коливання клімату, руйнування озонового шару, великої кількості відходів, пандемії СНІДУ.

Енергоресурси. Упродовж ХХ століття споживання енергії та сировини збільшилося більше ніж у 10 разів. За цей час з надр Землі було видобуто корисних копалин більше, ніж за всю попередню історію людства. І потреби в них у найближчі десятиліття збільшаться удвічі, хоча прогноз добування і виробництва енергоносіїв не дає підстав сподіватися на їхню реалізацію.

Харчування. Забруднення і зростаючий дефіцит прісної води може стати однією з перешкод збільшення виробництва сільськогосподарської продукції. Прісна вода становить лише 2% всіх водних ресурсів Землі і її кількість дорівнює 310¹⁶ тонн (з них 86% в сніжно-льодових утвореннях, 13% - в підземних водах і тільки 1% - в озерах, річках та ґрунті). На кожного жителя Землі припадає близько 9 тис. м³ води (мова йде про доступну питну воду з річок і озер). Сьогоднішні запаси прісної води на душу населення удвічі менші, ніж були 50 років тому, і в майбутньому вони далі зменшуватимуться.

Для забезпечення населення світу чистою питною водою і каналізацією, які відповідають санітарним нормам, необхідно, за підрахунками вчених, понад 36 млрд. доларів на рік – а це приблизно 4% світових воєнних витрат.

Ще однією складовою проблеми харчування є використання генетично модифікованих організмів (ГМО) – живих організмів, які містять штучно вбудований ген. Приміром, сою збагачують геном петунії (це робить її стійкою до комах), картоплю - геном ґрунтової бактерії (через це її стебла і листя самі виробляють пестициди, смертельні для колорадського жука), отримано також помідори, які можуть зберігатися кілька місяців при температурі +12°С, рис, збагачений каротином і т.д.

ГМО об’єднують три групи організмів – генетично модифіковані мікроорганізми (ГММ), тварини (ГМТ) та рослини (ГМР). З якою метою створено ГМО? Для того, щоб змінити певні агрономічні та фізіологічні характеристики рослин (забезпечити стійкість до окремих гербіцидів, до шкідників та хвороб, до засолення, дії високих та низьких температур); змінити якість кінцевої продукції (колір, склад, тривалість зберігання, термін дозрівання); вирішити питання очищення довкілля від органічних забруднень та від важких металів; забезпечити синтез певних сполук у рослинному організмі (у тому числі й фармпрепаратів) і використати рослину як фабрику для виробництва визначених сполук.

Аргументи висуваються дійсно вагомі – генетично модифіковані продукти врятують людство від голоду, бо трансгени вирощувати значно дешевше і вони дають великі врожаї. Такі продукти начебто корисніші за натуральні – в них штучно підвищують кількість вітамінів та мікроелементів, а на деякі покладено функцію ліків. Так, американські вчені, працюють над виведенням породи ГМ-курей, яйця яких міститимуть речовини, що запобігають онкозахворюванням. Однак вплив ГМО на людський організм до кінця не вивчений. Науковці багатьох країн світу виступають проти поширення цих технологій. Численні дослідження цієї проблеми свідчать, що генетично модифіковані продукти є серйозною небезпекою – і не лише для здоров’я людини, а й для навколишнього середовища. Їхній вплив передбачити неможливо – він детермінований у часі. Але вже зараз доведено, що трансгени, потрапляючи у наш організм, зумовлюють пухлини, алергії, порушення репродуктивної функції.

Станом на сьогодні трансформовано близько 140 видів різних рослин. Водночас комерціалізовано (отримано дозвіл на вирощування у відкритих системах з промисловою метою, на використання як харчових продуктів або як корму для тварин) відносно малу їх кількість. Реально ж на комерційному ринку в останні роки присутні лише генетично модифіковані лінії сої, кукурудзи, ріпаку, бавовнику, люцерни, папайї та гарбуза. Світовим лідером у вирощуванні ГМР є США, Аргентина, Бразилія, Канада і Китай. Площі, що були відведені під різні ГМ культури у 2006 р., становили в цих країнах від 49, 8 млн. га у США до 3,3 млн. га в Китаї.

Скорочення біорізноманіття. Погіршення природного середовища існування призводить до зникнення багатьох живих організмів, що загрожує порушенням екологічного балансу в природі на різних рівнях.

Забруднення атмосфери. Концентрація в атмосфері вуглекислого газу знаходиться на найвищому рівні за останні 160 тис. років і продовжує збільшуватися. Це може призвести до екстремальних природних умов на всій планеті. Фахівці вважають, що близько 80-86% забруднювачів повітря сконцентровано над розвиненими промисловими районами, 10-15% - над містами, 1-2% - над сільською місцевістю, 0,1% - над центральними районами Світового океану. У великих містах за добу осідає 1,5 тонн пилу на кожен квадратний кілометр, а вже за 100 км від нього - приблизно у 100 разів менше.

Коливання клімату. У 1992 році в Ріо-де-Жанейро Рамкову Конвенцію з питань зміни клімату підписали 160 країн. Прийняття цієї Конвенції є безумовним визнанням того факту, що зміна клімату є глобальною проблемою. Збитки, викликані зміною кліматичних умов та глобальним потеплінням, тільки у 1998 р. становили майже 70 млрд. доларів. Кіотський протокол до Рамкової Конвенції ООН про зміну клімату, схвалений у 1999 р., став значним кроком вперед у спробах вирішити цю проблему. Країни, що увійшли до Додатку 1 Протоколу (розвинуті країни та країни з перехідною економікою) домовились зменшити викиди парникових газів до рівня, меншого на 5% від рівня базового року, у період з 2008 до 2012 року. Для різних країн встановлено різний рівень зниження викидів. Україні необхідно обмежити ріст викидів парникових газів до рівня 1990 року. Зменшення викидів стосується усіх секторів економіки, у т.ч. промисловості, енергетики та транспорту.

Знеліснення територій та спалювання лісів для створення додаткових сільськогосподарських угідь сприяють збільшенню емісії парникових газів.

Руйнування озонового шару. Озон є захисним бар’єром, який зменшує згубну дію жорстких ультрафіолетових променів. Зменшення вмісту озону в атмосфері загрожує захворюваннями людей і тварин, збільшенням кількості шкідливих мутацій, а також зниженням урожаїв сільськогосподарських культур.

Проблема відходів. Збитки від них - це не лише величезні площі землі, зайняті звалищами, териконами, шлакосховищами та ін., а й великі дози токсикантів та радіоактивних забрудників у повітрі, воді та ґрунті.

Пандемія СНІДУ. У нинішньому столітті людство може зіткнутися з безпосередньою загрозою існуванню цілих популяцій. У деяких африканських країнах ВІЛ-інфіковані становлять до 20–25% населення.

Джерела екологічної кризи сучасності та її вплив на біосферу. Першоджерелом і першопричиною бурхливого розвитку глобальної екологічної кризи є, як вважають експерти, демографічний вибух, що, незважаючи на колосальні екологічні резерви біосфери, супроводжується скороченням природних ресурсів, нагромадженням величезної кількості відходів, забрудненням довкілля, хворобами, голодом, вимиранням.

До недавнього часу розвиток людського суспільства і самоочищення навколишнього природного середовища від техногенних забруднень пе­ребували в динамічній екологічній рівновазі. Проте останніми роками інтенсивне зростання населення планети та зменшення термінів, необхідних для збільшення населення планети на 1 мільярд, поряд з іншими чинниками, призвели до різних негативних наслідків, з якими біосфера впоратися не здатна. Так, згідно з підрахунками фахівців, для збільшення населення нашої планети на перший мільярд знадобилося близько 1млн. років, тоді як для другого – всього 75 років (1925 р.). Протягом ХХ століття населення планети збільшилось у 4 рази, і зараз становить понад 6 млрд. чол. (табл.1.1).

Таблиця 1.1